基于分布式控制的并联型直驱风力发电的环流抑制策略

谭家杰

（湘电集团特电事业部，湘潭 411100）

基于分布式控制的并联型直驱风力发电的环流抑制策略

谭家杰

（湘电集团特电事业部，湘潭 411100）

在直驱型风电发电系统中，采用变流器并联技术可以减少通过单个变流器的功率，增加系统容量，实现冗余系统。采用分布式控制能更好地实现冗余，但存在差模环流和共模环流，会使交流电流发生畸变、不均流、波形不对称等问题，增加功率半导体器件损耗，降低系统效率。本文在分析并联变流器模型的基础上，推导出dq0坐标系下差模和共模环流表达式，提出抑制该环流的控制策略，并有效抑制机侧环流和网侧环流。同时，采用仿真和实验验证了所提方法的正确性。

直驱型并联分布式控制差模环流共模环流

引言

目前，风力发电的主要发展方向是大功率、大容量。随着系统容量增大，受目前电力电子器件制造工艺的限制，单台变流器难以满足大功率传送的要求［1-2］。采用变流器并联技术可以减少通过单个变流器的功率，便于实现N+1冗余设计，降低整个系统的体积和重量，提高系统稳定性［3］。可是，各变流器单元因其不同的控制方法，工作状态不同步、系统单元参数不一致时，电流会在并联的变流器之间流动，形成环流。该环流会对并联系统的均流和输出电流造成不利影响，从而危害系统的整体性能［4-6］。

传统抑制环流的方法是从硬件上消除环流通道，但通常体积重量太大，成本高［7］。于是，有研究考虑从软件上采用适当的控制方法对环流加以抑制［8-14］。目前，大部分文献针对集中式控制，采用适当方法抑制共模环流（即零序环流）。文献［8］通过对各并联模块控制环节中SVPWM调制的零矢量进行控制来抑制共模环流。文献［9］提取零序、负序和其他谐波环流，为每个变流器设计一个独立的环流控制环，但仅适用于SPWM调制系统，直流侧电压利用率不高。文献［10］则提出以一种交错式SVM控制方式，将原本不处于dq平面的共模电流转化为可经dq轴观测并消除的扰动量。文献［11］提出在dq坐标系下的非线性控制来抑制环流，控制算法比较复杂。

本文采用分布式控制法，首先分析环流产生机理，得出dq0坐标系下的差模和共模环流表达式，针对差模环流和共模环流这两类环流分别进行独立控制。在分布式控制采用该环流控制策略下，各模块变流器电流应力趋于一致，解决了均流和电流波形畸变问题。该方法不改变电路拓扑、算法简单、易于模块化的设计，最后通过仿真和实验验证了该控制策略的有效性。

1并联变流器拓扑及环流机理分析

图1显示由本文采用直流风机并联的拓扑结构。两套结构相同的系统共直流母线，所采用的风力发电机为常用永磁同步发电机。C为直流母线电容，起到滤波、储能和稳压的作用；Rg1、Rg2、Lg1、Lg2为发电机侧三相电阻和电感；Rl1、Rl2、Ll1、Ll2为网侧三相电阻和电感。该并联二重化结构能够减少每个变流器的电流，减少电流的开关纹波，从而使得滤波电感和滤波电容减少，提高系统的可靠性。

图1系统拓扑结构图

以网侧分析为例，对于单台变流器，根据基尔霍夫电压定律，如图1电流方向，可以得到交流侧的电压方程为：

式中：p为微分算子；UGO为直流侧中性点相对于电网中性点O的电压。

定义功率器件的开关函数Skj：

因此，Ukj可以表示为：

由于变换器开关频率较高，因此可认为在一个开关周期内流过电感的电流ilkj、直流母线电压Udc均保持不变。根据平均模型，可得到状态变量的表达式为：

使用Clarke和park变换，将式（4）的状态变量变换到dq0坐标系。其中，相应的变换公式为：

三相静止坐标系中，物理量与同步旋转坐标中物理量的关系可以表示为：

于是，得到dq0坐标系下的状态方程：

由式（7）可以得到，d轴的电流通路，如图2所示。图中，wl为电网同步角速度。

图2 d轴电路的电流通路

由此可得到差模环流为：

由式（9）可以看出，通过控制d轴电压，可以抵消第一项环流的耦合分量与第二项滤波器参数差异带来的环流。同样，q轴的分析也是一样，通过控制方法改变dq轴电压，可以有效消除差模环流，从而实现变流器的均流。

根据式（7），由于G点和O点之间没有电流流过，等效为开路，可以得到0轴电流通路如图3所示（环流方向由变流器1流向变流器2）。

图3 0轴电路的电流通路

由此，可得共模环流为：

根据三相变流器并联环流的定义得：

对于SVPWM，通过控制方法调节零矢量的分配［8］减小共模电压（dl01-dl02）Udc，以有效抑制共模环流。

以上对于网侧的环流数学模型分析同样适用于机侧，不再赘述。

2　控制策略

目前，并联控制方法很多种，主要分为集中控制式［16］、主从控制式［17］、分布式控制式［18-19］、无连线控制［20］。集中控制式通过集中控制器为各并联单元分配负载电流信号i*=iLoad/N。该方法均流效果好，但由于必须获知并联数N，其冗余度较低。主从控制包括一个主模块和数个从模块，其控制最重要的问题在于确定主模块的逻辑选择，可靠性不高。无连线控制算法复杂，实际很难实现，可靠性及工程实用性不高。本文采用分布式控制，每一个单元都独立运行，完全对等，因此容易实现冗余控制。

2.1风机控制

风机控制目标是在不同风速下实现最大功率输出，对应的是 Cp的最优值（Cp.max）。要获得该Cp.max，就要将风轮的叶尖速比调到最优值。当风速变化时，调节风轮转速，使得叶尖速度与风速之比保持不变，由此获得最佳Cp。本文采用分布式控制，两个并联变流器均采用转速外环和电流内环的矢量定向控制。如图4所示，利用检测到的风速和风机的参数，计算出为达到最大功率输出的转速参考值w*与实测w。比较后，经过PI调节输出，得到有功电流参考信号 iqref1，iqref2。采用idrefi（i=1、2）=0的经典矢量控制，就可以直接通过iqi（i=1、2）对电磁转矩进行控制。环流控制由机侧旋转坐标系下的三相交流环流经dq0变换得到三相静止坐标系下的差模与共模环流，与给定信号0经PI调节输出得到 iPgdcir、iPgqcir、iPg0cir。其中，差模信号叠加到变量器2的内环电流给定值上，由此调节dq轴的电压来抑制差模环流。共模信号作为修正值改变零矢量的分配，以减少共模电压来抑制共模环流。将有差模环流控制的电流参考信号与实际电流信号比较，经PI输出后分别得到各变流器的有功和无功参考电压 Uqref、Udref。最后，经过改进的SVPWM调制获得风机的控制脉冲信号。

图4机侧环流控制图

2.2并网控制

并网控制的目的是将风机输出的直流电转化为交流电并注入电网，实现单功率因数运行。如图5所示，稳态正常运行情况下，网侧2个变流器的控制基于同步旋转坐标系下的电网电压定向矢量控制，采用电压外环和电流内环的双闭环控制策略。电压外环控制直流母线电压恒定，由直流母线的给定值和反馈值的误差，经过PI控制器可以得到有功功率指令信号 i*dref1、i*dref2和无功功率指令电流i*qref1=i*qref2=0，以实现单功率因数运行。环流控制由网侧三相旋转坐标系下的环流经dq0变换，得到三相静止坐标系下的差模与共模环流，与给定信号0经PI调节输出得到 iPldcir、iPlqcir、iPl0cir。其中，差模信号叠加到变流器 2的内环电流给定值上，由此调节dq轴的电压抑制差模环流。共模信号作为修正值改变零矢量的分配，以减少共模电压抑制共模环流。将有差模环流控制的电流参考信号与实际电流信号比较，经PI输出后分别得到各变流器的有功和无功参考电压Udref、Uqref。最后，经过改进的SVPWM调制获得并网的控制脉冲信号。

图5网侧环流控制图

3仿真和实验结果

为了验证上述模型及控制策略的正确性，本文对图1所示结构进行仿真分析。仿真参数如下：直流母线电容C1=5000F，机侧并联变流器1电阻为Rg1=10mΩ，电感为Lg1=12mH，机侧并联变流器2电阻为Rg2=10mΩ，电感为Lg2=10mH。网侧并联变流器1电阻为Rl1=10mΩ，电感为Ll1=15mH，网侧并联变流器2的电阻为Rl2=10mΩ，电感为Ll2=20mH。PMSG的主要参数为定子相电阻14mΩ，同步电感0.0055H，转子磁链幅值1.2Wb，直流母线电压稳在690V。

对于机侧，不加环流控制时，如图6所示，可以看出此时差模和共模环流较大，导致严重的不均流、波形畸变等问题。只采用差模环流控制时，如图7所示，差模环流较图6有所减小，两变流器a相电流波形接近重合。但由于共模环流没有抑制，仍存在波形畸变等问题。图8所示为采用差模和共模环流控制时，iga1、iga2波形重合，实现了机侧的均流，共模环流 ig0也得到了很好的抑制，基本在零附近。可见，环流抑制策略起到了效果。

对于网侧，当不采用环流控制时，波形如图9所示，差模环流和共模环流带来网侧变流器波形畸变，且存在并联变流器不均流问题，严重时会损坏功率器件。只采用差模环流控制时，波形如图 10所示，ila1、ila2波性接近重合，差模环流得到很好抑制。但是，由于共模环流较大，造成了网侧电流波形畸变。采用差模和共模环流控制时，波形如图 11所示，ila1、ila2波形重合，实现了并网侧的均流，共模环流il0也得到了很好的抑制，基本在零附近。此时，网侧并网电流正弦性都较好，适合并网。

图6机侧无环流控制

图7机侧差模环流控制

图8机侧差模+共模环流控制

图9网侧无环流控制

图10网侧差模环流控制

图11网侧差模+共模环流控制

为进一步验证该环流控制策略的正确性和有效性，针对网侧，以2个变流器并联为基础进行实验研究。实验参数见表1。

表1系统参数

如图12、13、14所示，可以看出综合差模和共模环流控制时，并联模块均流性良好，且三相电流波形对称，正弦性良好，与仿真结果一致。

图12网侧无环流控制

图13网侧差模环流控制

图14网侧差模+共模环流控制

仿真和实验结果表明，在分布式控制下，机侧和网侧变流器采取该环流控制策略能够很好地抑制差模和共模环流。

4结论

本文在分析并联型直驱风力发电模型的基础上，推导出dq0坐标系下差模和共模环流表达式，提出差模和共模环流控制策略。该方法不改变电路拓扑、算法简单、能更好地实现冗余，易于模块化设计。仿真实验结果表明，电路拓扑工作性能稳定，控制策略能够有效降低系统中的环流，保证了并联变流器之间的电流均分。

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Parallel Circulation Suppression Strategy Based on Distributed Control of Direct Drive Wind Power Generation

TAN Jiajie

（Hunan Electric Group Tedian division，Xiangtan 411100）

In the Direct-drive wind power generation system，the using of parallel converter technology can reduce the power of a single converter，increase system capacity and realize redundancy system.Distributed control can better realize the redundancy，but in the distributed control mode，there is a differential-mode circulation and common-mode circulation，which can make the three-phase current distortion，uneven flow，asymmetric waveform and other issues，increase the power semiconductor device loss，reduce system efficiency.On the basis of the analysis of the parallel converter model，the expression of differential-mode and common-mode circulation in the dq0 coordinate system are derived.And the control strategy is proposed，which is effective to suppress the generation-side circulation and the line-side circulation. The simulation and experimental results verify the correctness of the proposed method.

Direct-drive，Parallel，Distributed control，Differential-mode circulation，Common-mode circulation